二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置
【課題】アンモニア冷媒回路の排熱を回収してデフロストに使用することにより、より一層の省エネルギー化及び安全性の向上を図る。
【解決手段】二酸化炭素冷媒回路１３と、アンモニア冷媒回路１４と、アンモニア冷媒に生じる発熱により二酸化炭素冷媒をホットガス化するホットガス熱交換器１６と、二酸化炭素・ホットガスを負荷側冷却器１１内に供給して除霜するデフロスト回路１５と、負荷側冷却器１１に対する接続を二酸化炭素冷媒回路１３とデフロスト回路１５の間で切り換える切り換え手段と、を備える二酸化炭素循環・冷却システムにおいて、デフロスト回路１５内に、二酸化炭素・ホットガスを貯留しておく膨張タンク３９と、膨張タンク３９内の二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に逃がすホットガス・バイパス手段４１を設けた。
【解決手段】二酸化炭素冷媒回路１３と、アンモニア冷媒回路１４と、アンモニア冷媒に生じる発熱により二酸化炭素冷媒をホットガス化するホットガス熱交換器１６と、二酸化炭素・ホットガスを負荷側冷却器１１内に供給して除霜するデフロスト回路１５と、負荷側冷却器１１に対する接続を二酸化炭素冷媒回路１３とデフロスト回路１５の間で切り換える切り換え手段と、を備える二酸化炭素循環・冷却システムにおいて、デフロスト回路１５内に、二酸化炭素・ホットガスを貯留しておく膨張タンク３９と、膨張タンク３９内の二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に逃がすホットガス・バイパス手段４１を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置に関するものであり、特に、除霜デフロストの熱源として二酸化炭素・ホットガスを利用してなる二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、オゾン層破壊防止や温暖化防止等の地球環境保全の観点から、室内の空調設備や物品の冷却・冷凍に用いる冷凍装置の冷媒を、広く用いられて来たフロンに代えて、自然冷媒でオゾン破壊係数がゼロであり、また、地球温暖化係数がゼロもしくは限りなくゼロに近いアンモニアＮＨ3)を用いる冷凍装置の採用が増加している。
【０００３】
しかしながら、アンモニアは人体に有毒であるので、アンモニア冷媒回路の冷熱を負荷側冷却器に直接供給するのではなく、アンモニアと同じ自然冷媒ではあるが、毒性の無い二酸化炭素ＣＯ2、俗称「炭酸ガス」を冷媒とする２次冷媒回路を介在せしめて負荷冷却器側に熱を供給する構成とした自然冷媒冷却システムが実用に供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上述した二酸化炭素を冷媒とする回路は、アンモニア冷媒回路で生じる冷熱を凝縮冷熱として利用し、二酸化炭素を液化してレシーバーに貯留する。また、この液冷媒を液ポンプで負荷側冷却器に送り、該負荷側冷却器で熱交換を終えた冷媒のうち、気化したものはカスケードコンデンサーで凝縮されてレシーバーに戻り、気化せず液体のものは直接レシーバーに戻るようになっている。
【０００５】
そして、従来、二酸化炭素を冷媒とする二酸化炭素冷媒回路に設けられた負荷側冷却器に付着する霜の除霜（デフロスト）は、散水デフロストまたは電気ヒータデフロストで行われるのが一般的であった。
【０００６】
しかしながら、このように散水デフロストまたは電気ヒータによる除霜は、冷凍倉庫等への放熱量が多く、省エネルギー化に反していた。
【０００７】
そこで、本件出願人は、アンモニア冷媒回路の排熱を二酸化炭素冷媒回路側へ移し、従来、大気中に廃棄していたアンモニア冷媒回路の排熱を回収し、この排熱を除霜に使用して省エネルギー化を図るようにした二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置を、特開２０１０−１８１０９３号（特許文献２参照）により提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２００２−２４３３５０号公報。
【特許文献２】特開平２０１０−１８１０９３号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２で提案した二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置は、従来、大気中に廃棄していたアンモニア冷媒回路の排熱を回収し、この排熱を除霜に使用するので、省エネルギー化に十分寄与して来たが、今日でも、より一層の省エネルギー化及び安全性への改良が要望されている。
【００１０】
そこで、アンモニア冷媒回路の排熱を二酸化炭素冷媒回路側に移して冷却するとともに、該アンモニア冷媒回路の排熱を回収してデフロストに使用することにより、より一層の省エネルギー化及び安全性の向上を図ることができるようにする具体的なシステム構成を提供するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、負荷側冷却器と、カスケードコンデンサーと、二酸化炭素冷媒が前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーを通って循環される二酸化炭素冷媒回路と、アンモニア冷媒が前記カスケードコンデンサーを通って循環するアンモニア冷媒回路と、前記アンモニア冷媒に生じる発熱により前記二酸化炭素冷媒をホットガス化するホットガス熱交換器と、前記二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器内に供給して除霜するデフロスト回路と、前記負荷側冷却器に対する接続を前記二酸化炭素冷媒回路と前記デフロスト回路の間で切り換える切り換え手段と、を備える二酸化炭素循環・冷却システムにおいて、前記デフロスト回路内に、前記二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段と、該バッファ手段内の前記二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーの間に逃がすホットガス・バイパス手段を設けた二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置を提供する。
【００１２】
この構成によれば、冷却システム運転中に二酸化炭素冷媒回路の負荷側冷却器に付着する霜を除霜デフロストする場合は、切り換え手段による切り換え操作で、負荷側冷却器に対する二酸化炭素冷媒回路の接続を遮断し、かつ、デフロスト回路との接続に切り換えると、デフロスト回路内の二酸化炭素・ホットガスは、負荷側冷却器の温度が低いために負荷側冷却器内へ引き寄せられ、これが負荷側冷却器内で液化し、その熱が氷解に使用されて除霜することができる。
【００１３】
また、負荷側冷却器とホットガス熱交換器と連絡配管内のデフロスト時における二酸化炭素・ホットガスの容量は、二酸化炭素の物性により、温度が高いときにはガス化されてガス量が増え、液量が減るが、反対に温度が低いときにはガス量が減り、液量が増える。その大きさは、例えば負荷側冷却器とホットガス熱交換器と連絡配管内の容量が１ｍ3とすると、二酸化炭素冷媒の１５℃の時の絶対飽和圧力は５．２ＭＰａ、ガス比重は約１６０kg／ｍ3で、この系統内ではガスは約１６０kg、液は０kgとなる。一方、二酸化炭素冷媒の−２０℃の時の絶対飽和圧力は２．０ＭＰａ、ガス比重は約５１kg／ｍ3で、液比重は約１kg／リットルで、この系統内ではガス状態で約約５１kg、液状態では１０９kg存在する。したがって、冷却運転の途中で、デフロスト運転に切り換えられると、負荷側冷却器内に送られる二酸化炭素・ホットガスは切り換え初期の圧力は低く、デフロスト初期段階にはデフロストを効果的に行うことができないという問題が発生する。
【００１４】
しかし、この構成による装置では、前記デフロスト回路内に前記二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段を設けており、負荷側冷却器の接続をデフロスト回路側に切り換えると、バッファ手段に予め貯留されていた二酸化炭素・ホットガスが負荷側冷却器側に圧力を高めた状態で流され、かつ、負荷側冷却器内で液化し、その熱が氷解に使用されて除霜に寄与して急速にデフロストを行うことができる。
【００１５】
また、バッファ手段を含むデフロスト回路系統において、二酸化炭素・ホットガスを過剰に保有していると制限圧力を超えるが、この構成による装置では、デフロスト回路系統内にホットガス・バイパス手段を設け、該バッファ手段内の二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを負荷側冷却器とカスケードコンデンサーの間に逃がし、デフロスト回路系統内の制限圧力の上昇を防止する。これにより、デフロスト回路系統内の圧力は常に制限圧力内に保持され、二酸化炭素・ホットガスを大気に放出することがない。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、上記ホットガス・バイパス手段は、一端部側を前記膨張タンクに接続し、かつ他端部側を前記負荷側冷却器と、前記カスケードコンデンサーの間に接続してなる圧力逃がし配管と該圧力逃がし配管を通る前記二酸化炭素・ホットガスの量を調整する調整弁、を備えてなる二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置を提供する。
【００１７】
この構成によれば、デフロスト回路系統内から負荷側冷却器とカスケードコンデンサーの間に逃がす二酸化炭素・ホットガスの量を、調整弁により簡単に調整することができる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１記載の発明は、アンモニア冷媒回路のアンモニア冷媒に生じる発熱排熱で二酸化炭素冷媒をホットガスにし、該二酸化炭素・ホットガスにより負荷側冷却器に付着している霜を除霜デフロストするので、省エネルギーの効果が期待される。
【００１９】
また、従来のように、別途、除霜用の電気ヒータ装置を設ける場合ではヒータ配線及び設備が必要であり、除霜用の散水装置を設ける場合ではデフロスト水槽や送水管等の設備を必要になるが、本発明では、これらの設備を設置しなくてもよいので、これらの設備にかかる設置コストの節約及びメンテナンスコストの節約を図ることができる効果が期待される。
【００２０】
さらに、二酸化炭素・ホットガスを貯留したバッファ手段をデフロスト回路内に設けておき、負荷側冷却器への接続が二酸化炭素冷媒回路からデフロスト回路に切り換えられてデフロストが行われるとき、バッファ手段に予め貯留されていた二酸化炭素・ホットガスが負荷側冷却器の側へ大量に流れて液化し、その熱が氷解に使用されて除霜に寄与し、急速にデフロストを可能にするので、良好なデフロストを最初から効果的に行うことができる。
【００２１】
また、さらにホットガス・バイパス手段を設けたことによってデフロスト回路系統内における二酸化炭素・ホットガスの量が所定量を越えると、超えたホットガスを負荷側冷却器とカスケードコンデンサーの間に逃がすので、デフロスト回路系統内の圧力は常に制限圧力内に保持され、二酸化炭素・ホットガスが大気に放出されることもなく、安全性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例に係るデフロスト装置を適用した二酸化炭素循環・冷却システムの構成図。
【図２】本発明の実施例に係るデフロスト装置のホットガス・バイパス手段を制御する一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明はアンモニア冷媒回路の排熱を二酸化炭素冷媒回路側に移して冷却するとともに、該アンモニア冷媒回路の排熱を回収してデフロストに使用することにより、より一層の省エネルギー化及び安全性の向上を図ることができるようにする具体的なシステム構成を提供するという目的を達成するために、負荷側冷却器と、カスケードコンデンサーと、二酸化炭素冷媒が前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーを通って循環される二酸化炭素冷媒回路と、アンモニア冷媒が前記カスケードコンデンサーを通って循環するアンモニア冷媒回路と、前記アンモニア冷媒に生じる発熱により前記二酸化炭素冷媒をホットガス化するホットガス熱交換器と、前記二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器内に供給して除霜するデフロスト回路と、前記負荷側冷却器に対する接続を前記二酸化炭素冷媒回路と前記デフロスト回路の間で切り換える切り換え手段と、を備える二酸化炭素循環・冷却システムにおいて、前記デフロスト回路内に、前記二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段と、該バッファ手段内の前記二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーの間に逃がすホットガス・バイパス手段を設けたことにより実現した。
【００２４】
以下、本発明に係る二酸化炭素循環・冷却システムのデフロスト装置について、好適な実施例をあげて詳細に説明する。
【実施例】
【００２５】
図１は本発明の実施例に係るデフロスト装置を適用した二酸化炭素循環・冷却システムの構成図である。同図において、該二酸化炭素循環・冷却システムは、負荷側冷却器１１と、カスケードコンデンサー１２と、二酸化炭素ＣＯ2)を冷媒とし、かつ、該二酸化炭素冷媒が前記負荷側冷却器１１と前記カスケードコンデンサー１２を通って循環される二酸化炭素冷媒回路１３と、アンモニアＮＨ3)を冷媒とし、該アンモニア冷媒が前記カスケードコンデンサー１２を通って循環するアンモニア冷媒回路１４と、システム全体を決められた手順に従って制御する演算回路でなる制御部１０等により構成されている。また、二酸化炭素冷媒回路１３の一部にはデフロスト除霜回路１５が設けられ、該デフロスト回路１５とアンモニア冷媒回路１４との間にはホットガス熱交換器１６が設けられている。
【００２６】
前記負荷側冷却器１１及び該負荷側冷却器１１に接続された二酸化炭素冷媒回路１３の一部は、例えば冷凍倉庫・冷蔵倉庫・出荷室１以下、これらを総称して「冷凍倉庫１」という内に配設され、該二酸化炭素冷媒回路１３の残りの一部及びカスケードコンデンサー１２ｄと、人体に有害なアンモニア冷媒を使用するアンモニア冷媒回路１４等は冷凍倉庫１の外側に配設している。
【００２７】
前記二酸化炭素冷媒回路１３内には、液化された二酸化炭素冷媒を蓄えておく二酸化炭素・レシーバー１７と、該二酸化炭素・レシーバー１７内の二酸化炭素を前記負荷側冷却器１１に供給する二酸化炭素・ポンプ１８が設けられている。また、前記二酸化炭素冷媒回路１３の一部に設けられているデフロスト回路１５には、該二酸化炭素・レシーバー１７内の二酸化炭素冷媒を前記ホットガス熱交換器１６に供給する二酸化炭素・ポンプ１９が設けられている。
【００２８】
前記アンモニア冷媒回路１４は、液化されたアンモニア冷媒を蓄えておくアンモニア・レシーバー２０と、圧縮機２１と凝縮器２２とを有して成るアンモニア冷媒・冷凍ユニット２３と、アンモニア・コンデンサー２４と、アンモニア電磁弁２５と、により構成されている。
【００２９】
前記ホットガス熱交換器１６は、前記カスケードコンデンサー１２から排出された前記アンモニア冷媒回路１４内のアンモニア冷媒に生じる熱を、前記デフロスト回路１５の前記二酸化炭素冷媒に移し、該デフロスト回路１５内の二酸化炭素冷媒を気化させて二酸化炭素・ホットガスを生成するように構成されている。
【００３０】
前記デフロスト回路１５内には、前記負荷側冷却器１１と前記ホットガス熱交換器１６の間に、二酸化炭素・電動弁２６と二酸化炭素・圧力指示調節器２７と二酸化炭素・圧力発信器２８及び膨張タンク３９が設けられている。そして、該二酸化炭素・電動弁２６の開度を調整することにより、前記二酸化炭素・ホットガスの前記負荷側冷却器１１に供給される量を全閉を含めて任意に調整できるようになっている。なお、膨張タンク３９は、デフロスト用の二酸化炭素・ホットガスを予め貯留しておくためのバッファ手段を構成しているタンクであり、二酸化炭素・ホットガスの貯留量に応じて貯留容積が可変するものである。また、その許容貯留量には十分な余裕が持たされ、十分な余裕を持たせておくことにより、二酸化炭素・ホットガスが異常に多く生成されたときの緩衝機能も有している。
【００３１】
さらに、前記デフロスト回路１５内には、安全装置として、前記膨張タンク３９内の二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器１１と前記カスケードコンデンサー１２の間に逃がすホットガス・バイパス手段４１が設けられている。すなわち、デフロスト回路１５において、二酸化炭素・ホットガスを過剰に保有していると制限圧力を超えることがあるが、デフロスト回路１５内にホットガス・バイパス手段４１を設け、該膨張タンク３９を含むデフロスト回路１５内の二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えたホットガスを負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に逃がすようにすると、デフロスト回路１５内の制限圧力の上昇が抑えられる。これにより、デフロスト回路系統内の圧力を常に制限圧力内に保持することができ、二酸化炭素・ホットガスを大気に放出されるのを防止できる。
【００３２】
そして、本実施例では、ホットガス・バイパス手段４１は、一端部側を膨張タンク３９に接続するとともに、他端部側を負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に接続してなる圧力逃がし配管４２と、該圧力逃がし配管４２内を通る二酸化炭素・ホットガスを開閉する全開・全閉可能な二酸化炭素・止弁４３ａ、及び、絞り調整可能な絞り弁４３ｂとでなる調整弁４３と、膨張タンク１９内の圧力Ｐcまたは、デフロスト回路系統内の圧力Ｐcを検出するホットガス圧力指示調節器４４とで構成されている。なお、調整弁４３における二酸化炭素・止弁４３ａの開閉操作及び絞り弁４３ｂの絞り調整は、制御部１０による自動制御または手動操作により行われる。
【００３３】
一方、前記二酸化炭素冷媒回路１３内には、前記負荷側冷却器１１の運転を、冷却運転またはデフロス運転の何れか一方の運転に切り換えるための二酸化炭素・電動弁２９,３０,３１,３２と、庫内温度・指示調節器３３と、二酸化炭素・圧力指示調節器３４と、二酸化炭素・圧力発信器３５が設けられている。
【００３４】
なお、本実施例では、ホットガス熱交換器１６は、膨張タンク３９及び負荷側冷却器１１より低い位置に設置されている。また、二酸化炭素・電動弁２９,３０,３１,３２と二酸化炭素・電動弁２６は、負荷側冷却器１１に対する二酸化炭素冷媒回路１３とデフロスト回路１５の接続を切り換える切り換え手段４０を構成している。さらに、図示しないが負荷側冷却器１１は、冷却コイルとドレンパンとケーシングを備えている。そして、デフロスト回路１５は、前記冷却コイル内と少なくとも前記ドレンパンまたは／及び前記ケーシング内を通って配管された構成になっており、冷却コイル内のデフロストと同時に、前記ドレンパンまたは／及び前記ケーシング内のデフロストを行うことができるようになっている。
【００３５】
次に、この二酸化炭素循環・冷却システムの動作について説明する。なお、このシステムでは、冷却運転及びデフロスト運転等の操作は、制御部１０の制御を介して行われる。また、図中、二酸化炭素・ホットガス系統デフロスト回路１５における二酸化炭素・ホットガスの流れは実線で、二酸化炭素・冷却系統二酸化炭素冷媒回路１３における二酸化炭素冷媒の流れは点線でそれぞれ示す。さらに、アンモニア系統アンモニア冷媒回路１４の高圧側におけるアンモニア冷媒の流れは一点鎖線で、アンモニア系統アンモニア冷媒回路１４の低圧側におけるアンモニア冷媒の流れは二点鎖線でそれぞれ示している。
【００３６】
まず、前記負荷側冷却器１１が冷却運転している時における二酸化炭素冷媒の流れについて説明する。冷却運転時、切り換え手段４０を構成している二酸化炭素・電動弁３１及び二酸化炭素・電動弁２９は開、二酸化炭素・電動弁２６及び二酸化炭素・電動弁３０は閉とされる。そして、二酸化炭素・レシーバー１７に蓄えられている液化二酸化炭素が、二酸化炭素・ポンプ１８により二酸化炭素・止弁３６と二酸化炭素・電動弁３１、及び、二酸化炭素・電動弁３２を経由して負荷側冷却器１１に導かれ、該負荷側冷却器１１が冷凍倉庫１内を冷却する。
【００３７】
また、この冷却では、庫内温度・指示調節器３３で設定された温度に対して、制御部１０が二酸化炭素・電動弁３１を開閉、または、比例制御することにより、冷凍倉庫１の室温制御を行う。このときに気化された液化二酸化炭素冷媒は、二酸化炭素・電動弁２９と二酸化炭素・止弁３７を経由してカスケードコンデンサー１２に送られ、該カスケードコンデンサー１２で再び液化されて二酸化炭素・レシーバー１７に戻り、気化せずに液体のものは二酸化炭素・レシーバー１７に直接戻って蓄えられ、冷却に使用される。以下、このサイクルを繰り返す。
【００３８】
次に、冷却運転時におけるアンモニア冷媒回路１４のアンモニア冷媒の流れについて説明する。アンモニア・レシーバー２０に蓄えられているアンモニア冷媒は、アンモニア・レシーバー２０から液冷媒として出て、アンモニア・電磁弁２５を通り、カスケードコンデンサー１２に送られる。そして、該ガスケードコンデンサー１２で、上述したように負荷側冷却器１１側から戻る二酸化炭素冷媒回路１３内の二酸化炭素ガスを冷却して液化する。
【００３９】
一方、カスケードコンデンサー１２において二酸化炭素ガスを冷却液化したアンモニア液冷媒は、ガス化されてアンモニア冷媒・冷凍ユニット２３に吸い込まれる。また、該アンモニア冷媒・冷凍ユニット２３内の圧縮機２１及び凝縮器２２により圧縮されて高温の高圧ガスとなり、さらにアンモニア・水冷コンデンサー２４に送られる。そして、該アンモニア・水冷コンデンサー２４で潜熱を奪われて液化された後、アンモニア・レシーバー２０に蓄えられ、冷却に使用される。以下、このサイクルを繰り返す。
【００４０】
次に、デフロスト運転時における二酸化炭素冷媒の流れとアンモニア冷媒の流れについて説明する。デフロスト運転に切り替えられると、この切り替えに連動して切り換え手段４０を構成している二酸化炭素・電動弁３１及び二酸化炭素・電動弁２９が閉じられ、反対に二酸化炭素・電動弁２６及び二酸化炭素・電動弁３０が開く。
【００４１】
そして、二酸化炭素・電動弁２６及び二酸化炭素・電動弁３０が開くと、バッファ手段を構成している膨張タンク３９内の二酸化炭素・ホットガス及びデフロスト回路１５内に溜まっていた二酸化炭素・ホットガスは、負荷側冷却器１１の温度が低いために該負荷側冷却器１１内に引き寄せられる。
【００４２】
同時に、二酸化炭素・レシーバー１７に液化されて蓄えられている二酸化炭素媒体が、二酸化炭素・昇圧ポンプ１９により二酸化炭素・電動弁３８を通過して二酸化炭素・ホットガス熱交換器１６に送られる。
【００４３】
前記ホットガス熱交換器１６に送られた液化二酸化炭素は、アンモニア冷媒・冷凍ユニット２３で高温・高圧にされたアンモニア冷媒と該二酸化炭素・ホットガス熱交換器１６内で熱交換をし、二酸化炭素・ホットガスに相変化する。ここで生成された二酸化炭素・ホットガスは、二酸化炭素・電動弁２６を通過して負荷側冷却器１１内に、膨張タンク３９内の二酸化炭素・ホットガス及びデフロスト回路１５内に溜まっていた二酸化炭素・ホットガスと共に送られる。以後、この動作を繰り返すことにより負荷側冷却器１１は徐々に昇温し、該負荷側冷却器１１に付着した霜を溶かして除去デフロストする。
【００４４】
また、このデフロスト運転では、デフロスト回路１５が冷却コイル内と前記ドレンパンと前記ケーシング内を通って配管されているので、冷却コイルのデフロストと同時に前記ドレンパン及び前記ケーシング内のデフロストも行う。
【００４５】
一方、ホットガス熱交換器１６内で潜熱を奪われたアンモニア冷媒は液化されてアンモニア・レシーバー２０に戻され、液化しないで気化しているものはアンモニア・水冷コンデンサー２４を介し凝縮されてアンモニア・レシーバー２０に戻される。
【００４６】
また、前記負荷側冷却器１１に送られた前記二酸化炭素・ホットガスは、潜熱を奪われて液化し、二酸化炭素・電動弁３０を経由して前記ホットガス熱交換器１６に送られる。このホットガス熱交換器１６に戻された二酸化炭素冷媒は、該ホットガス熱交換器１６で再びガス化されてデフロスト用ホットガスとして再び使用される。
【００４７】
なお、デフロスト終期には、負荷側冷却器１１の温度が上昇し、該負荷側冷却器１１内での液化が止まる。そして、デフロスト回路１５内の余った二酸化炭素・ホットガスは膨張タンク３９に貯留され、次回のデフロスト用として用意される。そして、制御部１０は、デフロストが終了すると、切り換え手段４０を構成している二酸化炭素・電動弁３１及び二酸化炭素・電動弁２９を開とし、反対に二酸化炭素・電動弁２６及び二酸化炭素・電動弁３０を閉じる。
【００４８】
また、バッファ手段を含むデフロスト回路系統において、図２にその制御手順の一例を示すように、制御部１０はホットガス・バイパス手段４１のホットガス圧力指示調節器４４からの信号を常に監視していて、膨張タンク１９内の圧力Ｐc(または、デフロスト回路系統内の圧力Ｐc)が予め設定される所定圧力Ｐs以上、すなわち膨張タンク１９内における二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えると調整弁４３を制御し、その超えた二酸化炭素・ホットガスを負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に逃がし、デフロスト回路系統内の制限圧力の上昇を防止する。この調整弁４３の制御では、二酸化炭素・止弁４３ａの開閉操作及び絞り弁４３ｂの絞り調整を組み合わせて最適な調整を行い、また調整後は二酸化炭素・止弁４３ａは全閉にする。これにより、デフロスト回路系統内の圧力を常に制限圧力内に保持する。
【００４９】
したがって、本実施例に係る二酸化炭素循環・冷却システムのデフロスト装置によれば、アンモニア冷媒回路１４のアンモニア冷媒に生じる発熱排熱で二酸化炭素冷媒を気化させてホットガスにし、該二酸化炭素・ホットガスの熱により負荷側冷却器１１に付着している霜を除霜デフロストするので、省エネルギー化できる。
【００５０】
また、デフロスト用の水槽や送水管等の設備を必要としないので、設備にかかる設置コストの節約、及び、メンテナンスコストの節約を図ることができる。
【００５１】
さらに、二酸化炭素・ホットガスを貯留したバッファ手段としての膨張タンク３９をデフロスト回路１５内に設けておき、負荷側冷却器１１への接続が二酸化炭素冷媒回路１３からデフロスト回路１５に切り換えられてデフロスト運転が行われるとき、膨張タンク３９に予め貯留されていた二酸化炭素・ホットガスが負荷側冷却器１１側へ大量に流れて負荷側冷却器１１内で液化し、その熱が氷解に使用されて除霜に寄与するので、急速にデフロストを行うことができる。
【００５２】
このデフロストの効果についてさらに説明すると、デフロスト回路１５を構成している負荷側冷却器１１とホットガス熱交換器１６と連絡配管内のデフロスト時における二酸化炭素・ホットガスの容量は、二酸化炭素の物性により、温度が高いときにはガス化されてガス量が増え、液量が減る。また、反対に温度が低いときにはガス量が減り、液量が増える。
【００５３】
その大きさは、負荷側冷却器１１とホットガス熱交換器１６と連絡配管内の容量を仮に１ｍ3とし、その系の炭酸ガス充填量を１６０kgとすると、ガス量と液量は下記の表１の如くとなる。
【００５４】
【表１】
【００５５】
このため、膨張タンク３９が無い場合、システムの冷却運転途中に、負荷側冷却器１１への接続が二酸化炭素冷媒回路１３からデフロスト回路１５に切り換えられてデフロスト運転に変更されると、負荷側冷却器１１内に送られる二酸化炭素・ホットガス量はデフロスト運転に切り換えられた初期には少なく、初期段階ではデフロスト効果的が十分に得ることができないという問題が発生する。
【００５６】
しかし、本実施例のように、デフロスト回路１５内に二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段としての膨張タンク３９が設けられている場合では、負荷側冷却器１１の接続をデフロスト回路１５側に切り換えられると、膨張タンク３９に予め貯留されていた二酸化炭素・ホットガスが負荷側冷却器１１側へ大量に流れて該負荷側冷却器１１内で液化し、その熱が氷解に使用されて除霜に寄与し、急速にデフロストを行うことができることになる。
【００５７】
また、本実施例では、バッファ手段として膨張タンク３９を設けた構造を開示したが、デフロスト回路１５内に二酸化炭素・ホットガスを貯留しておける構造であれば、必ずしも膨張タンク３９でなくてもよい。
【００５８】
さらに、ホットガス・バイパス手段４１を設けたことによってデフロスト回路系統内における二酸化炭素・ホットガスの量が所定量を越えると、その超えたホットガスを負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に逃がすので、デフロスト回路系統内の圧力は常に制限圧力内に保持されることになり、二酸化炭素・ホットガスが大気に放出されることなく、安全性が向上することになる。
【００５９】
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上説明したように、本発明は冷蔵倉庫、冷凍倉庫以外に、冷凍ショーケース等の冷凍システムにも応用できる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 冷凍倉庫
１０ 制御部
１１ 負荷側冷却器
１２ カスケードコンデンサー
１３ 二酸化炭素冷媒回路
１４ アンモニア冷媒回路
１５ デフロスト回路
１６ ホットガス熱交換器
１７ 二酸化炭素・レシーバー
１８ 二酸化炭素・ポンプ
１９ 二酸化炭素・昇圧ポンプ
２０ アンモニア・レシーバー
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ アンモニア冷媒・冷凍ユニット
２４ アンモニア・水冷コンデンサー
２５ アンモニア・電磁弁
２６ 二酸化炭素・電動弁
２７ 二酸化炭素・圧力指示調節器
２８ 二酸化炭素・圧力発信器
２９ 二酸化炭素・電動弁
３０ 二酸化炭素・電動弁
３１ 二酸化炭素・電動弁
３２ 二酸化炭素・電動弁
３３ 庫内温度・指示調節器
３４ 二酸化炭素・圧力指示調節器
３５ 二酸化炭素・圧力発信器
３６ 二酸化炭素・止弁
３７ 二酸化炭素・止弁
３８ 二酸化炭素・電動弁
３９ 膨張タンク（バッファ手段）
４０ 切り換え手段
４１ ホットガス・バイパス手段
４２ 圧力逃がし配管
４３ 調整弁
４３ａ 二酸化炭素・止弁
４３ｂ 絞り弁
４４ ホットガス圧力指示調節器
【技術分野】
【０００１】
本発明は二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置に関するものであり、特に、除霜デフロストの熱源として二酸化炭素・ホットガスを利用してなる二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、オゾン層破壊防止や温暖化防止等の地球環境保全の観点から、室内の空調設備や物品の冷却・冷凍に用いる冷凍装置の冷媒を、広く用いられて来たフロンに代えて、自然冷媒でオゾン破壊係数がゼロであり、また、地球温暖化係数がゼロもしくは限りなくゼロに近いアンモニアＮＨ3)を用いる冷凍装置の採用が増加している。
【０００３】
しかしながら、アンモニアは人体に有毒であるので、アンモニア冷媒回路の冷熱を負荷側冷却器に直接供給するのではなく、アンモニアと同じ自然冷媒ではあるが、毒性の無い二酸化炭素ＣＯ2、俗称「炭酸ガス」を冷媒とする２次冷媒回路を介在せしめて負荷冷却器側に熱を供給する構成とした自然冷媒冷却システムが実用に供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上述した二酸化炭素を冷媒とする回路は、アンモニア冷媒回路で生じる冷熱を凝縮冷熱として利用し、二酸化炭素を液化してレシーバーに貯留する。また、この液冷媒を液ポンプで負荷側冷却器に送り、該負荷側冷却器で熱交換を終えた冷媒のうち、気化したものはカスケードコンデンサーで凝縮されてレシーバーに戻り、気化せず液体のものは直接レシーバーに戻るようになっている。
【０００５】
そして、従来、二酸化炭素を冷媒とする二酸化炭素冷媒回路に設けられた負荷側冷却器に付着する霜の除霜（デフロスト）は、散水デフロストまたは電気ヒータデフロストで行われるのが一般的であった。
【０００６】
しかしながら、このように散水デフロストまたは電気ヒータによる除霜は、冷凍倉庫等への放熱量が多く、省エネルギー化に反していた。
【０００７】
そこで、本件出願人は、アンモニア冷媒回路の排熱を二酸化炭素冷媒回路側へ移し、従来、大気中に廃棄していたアンモニア冷媒回路の排熱を回収し、この排熱を除霜に使用して省エネルギー化を図るようにした二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置を、特開２０１０−１８１０９３号（特許文献２参照）により提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２００２−２４３３５０号公報。
【特許文献２】特開平２０１０−１８１０９３号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２で提案した二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置は、従来、大気中に廃棄していたアンモニア冷媒回路の排熱を回収し、この排熱を除霜に使用するので、省エネルギー化に十分寄与して来たが、今日でも、より一層の省エネルギー化及び安全性への改良が要望されている。
【００１０】
そこで、アンモニア冷媒回路の排熱を二酸化炭素冷媒回路側に移して冷却するとともに、該アンモニア冷媒回路の排熱を回収してデフロストに使用することにより、より一層の省エネルギー化及び安全性の向上を図ることができるようにする具体的なシステム構成を提供するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、負荷側冷却器と、カスケードコンデンサーと、二酸化炭素冷媒が前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーを通って循環される二酸化炭素冷媒回路と、アンモニア冷媒が前記カスケードコンデンサーを通って循環するアンモニア冷媒回路と、前記アンモニア冷媒に生じる発熱により前記二酸化炭素冷媒をホットガス化するホットガス熱交換器と、前記二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器内に供給して除霜するデフロスト回路と、前記負荷側冷却器に対する接続を前記二酸化炭素冷媒回路と前記デフロスト回路の間で切り換える切り換え手段と、を備える二酸化炭素循環・冷却システムにおいて、前記デフロスト回路内に、前記二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段と、該バッファ手段内の前記二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーの間に逃がすホットガス・バイパス手段を設けた二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置を提供する。
【００１２】
この構成によれば、冷却システム運転中に二酸化炭素冷媒回路の負荷側冷却器に付着する霜を除霜デフロストする場合は、切り換え手段による切り換え操作で、負荷側冷却器に対する二酸化炭素冷媒回路の接続を遮断し、かつ、デフロスト回路との接続に切り換えると、デフロスト回路内の二酸化炭素・ホットガスは、負荷側冷却器の温度が低いために負荷側冷却器内へ引き寄せられ、これが負荷側冷却器内で液化し、その熱が氷解に使用されて除霜することができる。
【００１３】
また、負荷側冷却器とホットガス熱交換器と連絡配管内のデフロスト時における二酸化炭素・ホットガスの容量は、二酸化炭素の物性により、温度が高いときにはガス化されてガス量が増え、液量が減るが、反対に温度が低いときにはガス量が減り、液量が増える。その大きさは、例えば負荷側冷却器とホットガス熱交換器と連絡配管内の容量が１ｍ3とすると、二酸化炭素冷媒の１５℃の時の絶対飽和圧力は５．２ＭＰａ、ガス比重は約１６０kg／ｍ3で、この系統内ではガスは約１６０kg、液は０kgとなる。一方、二酸化炭素冷媒の−２０℃の時の絶対飽和圧力は２．０ＭＰａ、ガス比重は約５１kg／ｍ3で、液比重は約１kg／リットルで、この系統内ではガス状態で約約５１kg、液状態では１０９kg存在する。したがって、冷却運転の途中で、デフロスト運転に切り換えられると、負荷側冷却器内に送られる二酸化炭素・ホットガスは切り換え初期の圧力は低く、デフロスト初期段階にはデフロストを効果的に行うことができないという問題が発生する。
【００１４】
しかし、この構成による装置では、前記デフロスト回路内に前記二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段を設けており、負荷側冷却器の接続をデフロスト回路側に切り換えると、バッファ手段に予め貯留されていた二酸化炭素・ホットガスが負荷側冷却器側に圧力を高めた状態で流され、かつ、負荷側冷却器内で液化し、その熱が氷解に使用されて除霜に寄与して急速にデフロストを行うことができる。
【００１５】
また、バッファ手段を含むデフロスト回路系統において、二酸化炭素・ホットガスを過剰に保有していると制限圧力を超えるが、この構成による装置では、デフロスト回路系統内にホットガス・バイパス手段を設け、該バッファ手段内の二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを負荷側冷却器とカスケードコンデンサーの間に逃がし、デフロスト回路系統内の制限圧力の上昇を防止する。これにより、デフロスト回路系統内の圧力は常に制限圧力内に保持され、二酸化炭素・ホットガスを大気に放出することがない。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、上記ホットガス・バイパス手段は、一端部側を前記膨張タンクに接続し、かつ他端部側を前記負荷側冷却器と、前記カスケードコンデンサーの間に接続してなる圧力逃がし配管と該圧力逃がし配管を通る前記二酸化炭素・ホットガスの量を調整する調整弁、を備えてなる二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置を提供する。
【００１７】
この構成によれば、デフロスト回路系統内から負荷側冷却器とカスケードコンデンサーの間に逃がす二酸化炭素・ホットガスの量を、調整弁により簡単に調整することができる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１記載の発明は、アンモニア冷媒回路のアンモニア冷媒に生じる発熱排熱で二酸化炭素冷媒をホットガスにし、該二酸化炭素・ホットガスにより負荷側冷却器に付着している霜を除霜デフロストするので、省エネルギーの効果が期待される。
【００１９】
また、従来のように、別途、除霜用の電気ヒータ装置を設ける場合ではヒータ配線及び設備が必要であり、除霜用の散水装置を設ける場合ではデフロスト水槽や送水管等の設備を必要になるが、本発明では、これらの設備を設置しなくてもよいので、これらの設備にかかる設置コストの節約及びメンテナンスコストの節約を図ることができる効果が期待される。
【００２０】
さらに、二酸化炭素・ホットガスを貯留したバッファ手段をデフロスト回路内に設けておき、負荷側冷却器への接続が二酸化炭素冷媒回路からデフロスト回路に切り換えられてデフロストが行われるとき、バッファ手段に予め貯留されていた二酸化炭素・ホットガスが負荷側冷却器の側へ大量に流れて液化し、その熱が氷解に使用されて除霜に寄与し、急速にデフロストを可能にするので、良好なデフロストを最初から効果的に行うことができる。
【００２１】
また、さらにホットガス・バイパス手段を設けたことによってデフロスト回路系統内における二酸化炭素・ホットガスの量が所定量を越えると、超えたホットガスを負荷側冷却器とカスケードコンデンサーの間に逃がすので、デフロスト回路系統内の圧力は常に制限圧力内に保持され、二酸化炭素・ホットガスが大気に放出されることもなく、安全性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例に係るデフロスト装置を適用した二酸化炭素循環・冷却システムの構成図。
【図２】本発明の実施例に係るデフロスト装置のホットガス・バイパス手段を制御する一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明はアンモニア冷媒回路の排熱を二酸化炭素冷媒回路側に移して冷却するとともに、該アンモニア冷媒回路の排熱を回収してデフロストに使用することにより、より一層の省エネルギー化及び安全性の向上を図ることができるようにする具体的なシステム構成を提供するという目的を達成するために、負荷側冷却器と、カスケードコンデンサーと、二酸化炭素冷媒が前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーを通って循環される二酸化炭素冷媒回路と、アンモニア冷媒が前記カスケードコンデンサーを通って循環するアンモニア冷媒回路と、前記アンモニア冷媒に生じる発熱により前記二酸化炭素冷媒をホットガス化するホットガス熱交換器と、前記二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器内に供給して除霜するデフロスト回路と、前記負荷側冷却器に対する接続を前記二酸化炭素冷媒回路と前記デフロスト回路の間で切り換える切り換え手段と、を備える二酸化炭素循環・冷却システムにおいて、前記デフロスト回路内に、前記二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段と、該バッファ手段内の前記二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーの間に逃がすホットガス・バイパス手段を設けたことにより実現した。
【００２４】
以下、本発明に係る二酸化炭素循環・冷却システムのデフロスト装置について、好適な実施例をあげて詳細に説明する。
【実施例】
【００２５】
図１は本発明の実施例に係るデフロスト装置を適用した二酸化炭素循環・冷却システムの構成図である。同図において、該二酸化炭素循環・冷却システムは、負荷側冷却器１１と、カスケードコンデンサー１２と、二酸化炭素ＣＯ2)を冷媒とし、かつ、該二酸化炭素冷媒が前記負荷側冷却器１１と前記カスケードコンデンサー１２を通って循環される二酸化炭素冷媒回路１３と、アンモニアＮＨ3)を冷媒とし、該アンモニア冷媒が前記カスケードコンデンサー１２を通って循環するアンモニア冷媒回路１４と、システム全体を決められた手順に従って制御する演算回路でなる制御部１０等により構成されている。また、二酸化炭素冷媒回路１３の一部にはデフロスト除霜回路１５が設けられ、該デフロスト回路１５とアンモニア冷媒回路１４との間にはホットガス熱交換器１６が設けられている。
【００２６】
前記負荷側冷却器１１及び該負荷側冷却器１１に接続された二酸化炭素冷媒回路１３の一部は、例えば冷凍倉庫・冷蔵倉庫・出荷室１以下、これらを総称して「冷凍倉庫１」という内に配設され、該二酸化炭素冷媒回路１３の残りの一部及びカスケードコンデンサー１２ｄと、人体に有害なアンモニア冷媒を使用するアンモニア冷媒回路１４等は冷凍倉庫１の外側に配設している。
【００２７】
前記二酸化炭素冷媒回路１３内には、液化された二酸化炭素冷媒を蓄えておく二酸化炭素・レシーバー１７と、該二酸化炭素・レシーバー１７内の二酸化炭素を前記負荷側冷却器１１に供給する二酸化炭素・ポンプ１８が設けられている。また、前記二酸化炭素冷媒回路１３の一部に設けられているデフロスト回路１５には、該二酸化炭素・レシーバー１７内の二酸化炭素冷媒を前記ホットガス熱交換器１６に供給する二酸化炭素・ポンプ１９が設けられている。
【００２８】
前記アンモニア冷媒回路１４は、液化されたアンモニア冷媒を蓄えておくアンモニア・レシーバー２０と、圧縮機２１と凝縮器２２とを有して成るアンモニア冷媒・冷凍ユニット２３と、アンモニア・コンデンサー２４と、アンモニア電磁弁２５と、により構成されている。
【００２９】
前記ホットガス熱交換器１６は、前記カスケードコンデンサー１２から排出された前記アンモニア冷媒回路１４内のアンモニア冷媒に生じる熱を、前記デフロスト回路１５の前記二酸化炭素冷媒に移し、該デフロスト回路１５内の二酸化炭素冷媒を気化させて二酸化炭素・ホットガスを生成するように構成されている。
【００３０】
前記デフロスト回路１５内には、前記負荷側冷却器１１と前記ホットガス熱交換器１６の間に、二酸化炭素・電動弁２６と二酸化炭素・圧力指示調節器２７と二酸化炭素・圧力発信器２８及び膨張タンク３９が設けられている。そして、該二酸化炭素・電動弁２６の開度を調整することにより、前記二酸化炭素・ホットガスの前記負荷側冷却器１１に供給される量を全閉を含めて任意に調整できるようになっている。なお、膨張タンク３９は、デフロスト用の二酸化炭素・ホットガスを予め貯留しておくためのバッファ手段を構成しているタンクであり、二酸化炭素・ホットガスの貯留量に応じて貯留容積が可変するものである。また、その許容貯留量には十分な余裕が持たされ、十分な余裕を持たせておくことにより、二酸化炭素・ホットガスが異常に多く生成されたときの緩衝機能も有している。
【００３１】
さらに、前記デフロスト回路１５内には、安全装置として、前記膨張タンク３９内の二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器１１と前記カスケードコンデンサー１２の間に逃がすホットガス・バイパス手段４１が設けられている。すなわち、デフロスト回路１５において、二酸化炭素・ホットガスを過剰に保有していると制限圧力を超えることがあるが、デフロスト回路１５内にホットガス・バイパス手段４１を設け、該膨張タンク３９を含むデフロスト回路１５内の二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えたホットガスを負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に逃がすようにすると、デフロスト回路１５内の制限圧力の上昇が抑えられる。これにより、デフロスト回路系統内の圧力を常に制限圧力内に保持することができ、二酸化炭素・ホットガスを大気に放出されるのを防止できる。
【００３２】
そして、本実施例では、ホットガス・バイパス手段４１は、一端部側を膨張タンク３９に接続するとともに、他端部側を負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に接続してなる圧力逃がし配管４２と、該圧力逃がし配管４２内を通る二酸化炭素・ホットガスを開閉する全開・全閉可能な二酸化炭素・止弁４３ａ、及び、絞り調整可能な絞り弁４３ｂとでなる調整弁４３と、膨張タンク１９内の圧力Ｐcまたは、デフロスト回路系統内の圧力Ｐcを検出するホットガス圧力指示調節器４４とで構成されている。なお、調整弁４３における二酸化炭素・止弁４３ａの開閉操作及び絞り弁４３ｂの絞り調整は、制御部１０による自動制御または手動操作により行われる。
【００３３】
一方、前記二酸化炭素冷媒回路１３内には、前記負荷側冷却器１１の運転を、冷却運転またはデフロス運転の何れか一方の運転に切り換えるための二酸化炭素・電動弁２９,３０,３１,３２と、庫内温度・指示調節器３３と、二酸化炭素・圧力指示調節器３４と、二酸化炭素・圧力発信器３５が設けられている。
【００３４】
なお、本実施例では、ホットガス熱交換器１６は、膨張タンク３９及び負荷側冷却器１１より低い位置に設置されている。また、二酸化炭素・電動弁２９,３０,３１,３２と二酸化炭素・電動弁２６は、負荷側冷却器１１に対する二酸化炭素冷媒回路１３とデフロスト回路１５の接続を切り換える切り換え手段４０を構成している。さらに、図示しないが負荷側冷却器１１は、冷却コイルとドレンパンとケーシングを備えている。そして、デフロスト回路１５は、前記冷却コイル内と少なくとも前記ドレンパンまたは／及び前記ケーシング内を通って配管された構成になっており、冷却コイル内のデフロストと同時に、前記ドレンパンまたは／及び前記ケーシング内のデフロストを行うことができるようになっている。
【００３５】
次に、この二酸化炭素循環・冷却システムの動作について説明する。なお、このシステムでは、冷却運転及びデフロスト運転等の操作は、制御部１０の制御を介して行われる。また、図中、二酸化炭素・ホットガス系統デフロスト回路１５における二酸化炭素・ホットガスの流れは実線で、二酸化炭素・冷却系統二酸化炭素冷媒回路１３における二酸化炭素冷媒の流れは点線でそれぞれ示す。さらに、アンモニア系統アンモニア冷媒回路１４の高圧側におけるアンモニア冷媒の流れは一点鎖線で、アンモニア系統アンモニア冷媒回路１４の低圧側におけるアンモニア冷媒の流れは二点鎖線でそれぞれ示している。
【００３６】
まず、前記負荷側冷却器１１が冷却運転している時における二酸化炭素冷媒の流れについて説明する。冷却運転時、切り換え手段４０を構成している二酸化炭素・電動弁３１及び二酸化炭素・電動弁２９は開、二酸化炭素・電動弁２６及び二酸化炭素・電動弁３０は閉とされる。そして、二酸化炭素・レシーバー１７に蓄えられている液化二酸化炭素が、二酸化炭素・ポンプ１８により二酸化炭素・止弁３６と二酸化炭素・電動弁３１、及び、二酸化炭素・電動弁３２を経由して負荷側冷却器１１に導かれ、該負荷側冷却器１１が冷凍倉庫１内を冷却する。
【００３７】
また、この冷却では、庫内温度・指示調節器３３で設定された温度に対して、制御部１０が二酸化炭素・電動弁３１を開閉、または、比例制御することにより、冷凍倉庫１の室温制御を行う。このときに気化された液化二酸化炭素冷媒は、二酸化炭素・電動弁２９と二酸化炭素・止弁３７を経由してカスケードコンデンサー１２に送られ、該カスケードコンデンサー１２で再び液化されて二酸化炭素・レシーバー１７に戻り、気化せずに液体のものは二酸化炭素・レシーバー１７に直接戻って蓄えられ、冷却に使用される。以下、このサイクルを繰り返す。
【００３８】
次に、冷却運転時におけるアンモニア冷媒回路１４のアンモニア冷媒の流れについて説明する。アンモニア・レシーバー２０に蓄えられているアンモニア冷媒は、アンモニア・レシーバー２０から液冷媒として出て、アンモニア・電磁弁２５を通り、カスケードコンデンサー１２に送られる。そして、該ガスケードコンデンサー１２で、上述したように負荷側冷却器１１側から戻る二酸化炭素冷媒回路１３内の二酸化炭素ガスを冷却して液化する。
【００３９】
一方、カスケードコンデンサー１２において二酸化炭素ガスを冷却液化したアンモニア液冷媒は、ガス化されてアンモニア冷媒・冷凍ユニット２３に吸い込まれる。また、該アンモニア冷媒・冷凍ユニット２３内の圧縮機２１及び凝縮器２２により圧縮されて高温の高圧ガスとなり、さらにアンモニア・水冷コンデンサー２４に送られる。そして、該アンモニア・水冷コンデンサー２４で潜熱を奪われて液化された後、アンモニア・レシーバー２０に蓄えられ、冷却に使用される。以下、このサイクルを繰り返す。
【００４０】
次に、デフロスト運転時における二酸化炭素冷媒の流れとアンモニア冷媒の流れについて説明する。デフロスト運転に切り替えられると、この切り替えに連動して切り換え手段４０を構成している二酸化炭素・電動弁３１及び二酸化炭素・電動弁２９が閉じられ、反対に二酸化炭素・電動弁２６及び二酸化炭素・電動弁３０が開く。
【００４１】
そして、二酸化炭素・電動弁２６及び二酸化炭素・電動弁３０が開くと、バッファ手段を構成している膨張タンク３９内の二酸化炭素・ホットガス及びデフロスト回路１５内に溜まっていた二酸化炭素・ホットガスは、負荷側冷却器１１の温度が低いために該負荷側冷却器１１内に引き寄せられる。
【００４２】
同時に、二酸化炭素・レシーバー１７に液化されて蓄えられている二酸化炭素媒体が、二酸化炭素・昇圧ポンプ１９により二酸化炭素・電動弁３８を通過して二酸化炭素・ホットガス熱交換器１６に送られる。
【００４３】
前記ホットガス熱交換器１６に送られた液化二酸化炭素は、アンモニア冷媒・冷凍ユニット２３で高温・高圧にされたアンモニア冷媒と該二酸化炭素・ホットガス熱交換器１６内で熱交換をし、二酸化炭素・ホットガスに相変化する。ここで生成された二酸化炭素・ホットガスは、二酸化炭素・電動弁２６を通過して負荷側冷却器１１内に、膨張タンク３９内の二酸化炭素・ホットガス及びデフロスト回路１５内に溜まっていた二酸化炭素・ホットガスと共に送られる。以後、この動作を繰り返すことにより負荷側冷却器１１は徐々に昇温し、該負荷側冷却器１１に付着した霜を溶かして除去デフロストする。
【００４４】
また、このデフロスト運転では、デフロスト回路１５が冷却コイル内と前記ドレンパンと前記ケーシング内を通って配管されているので、冷却コイルのデフロストと同時に前記ドレンパン及び前記ケーシング内のデフロストも行う。
【００４５】
一方、ホットガス熱交換器１６内で潜熱を奪われたアンモニア冷媒は液化されてアンモニア・レシーバー２０に戻され、液化しないで気化しているものはアンモニア・水冷コンデンサー２４を介し凝縮されてアンモニア・レシーバー２０に戻される。
【００４６】
また、前記負荷側冷却器１１に送られた前記二酸化炭素・ホットガスは、潜熱を奪われて液化し、二酸化炭素・電動弁３０を経由して前記ホットガス熱交換器１６に送られる。このホットガス熱交換器１６に戻された二酸化炭素冷媒は、該ホットガス熱交換器１６で再びガス化されてデフロスト用ホットガスとして再び使用される。
【００４７】
なお、デフロスト終期には、負荷側冷却器１１の温度が上昇し、該負荷側冷却器１１内での液化が止まる。そして、デフロスト回路１５内の余った二酸化炭素・ホットガスは膨張タンク３９に貯留され、次回のデフロスト用として用意される。そして、制御部１０は、デフロストが終了すると、切り換え手段４０を構成している二酸化炭素・電動弁３１及び二酸化炭素・電動弁２９を開とし、反対に二酸化炭素・電動弁２６及び二酸化炭素・電動弁３０を閉じる。
【００４８】
また、バッファ手段を含むデフロスト回路系統において、図２にその制御手順の一例を示すように、制御部１０はホットガス・バイパス手段４１のホットガス圧力指示調節器４４からの信号を常に監視していて、膨張タンク１９内の圧力Ｐc(または、デフロスト回路系統内の圧力Ｐc)が予め設定される所定圧力Ｐs以上、すなわち膨張タンク１９内における二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えると調整弁４３を制御し、その超えた二酸化炭素・ホットガスを負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に逃がし、デフロスト回路系統内の制限圧力の上昇を防止する。この調整弁４３の制御では、二酸化炭素・止弁４３ａの開閉操作及び絞り弁４３ｂの絞り調整を組み合わせて最適な調整を行い、また調整後は二酸化炭素・止弁４３ａは全閉にする。これにより、デフロスト回路系統内の圧力を常に制限圧力内に保持する。
【００４９】
したがって、本実施例に係る二酸化炭素循環・冷却システムのデフロスト装置によれば、アンモニア冷媒回路１４のアンモニア冷媒に生じる発熱排熱で二酸化炭素冷媒を気化させてホットガスにし、該二酸化炭素・ホットガスの熱により負荷側冷却器１１に付着している霜を除霜デフロストするので、省エネルギー化できる。
【００５０】
また、デフロスト用の水槽や送水管等の設備を必要としないので、設備にかかる設置コストの節約、及び、メンテナンスコストの節約を図ることができる。
【００５１】
さらに、二酸化炭素・ホットガスを貯留したバッファ手段としての膨張タンク３９をデフロスト回路１５内に設けておき、負荷側冷却器１１への接続が二酸化炭素冷媒回路１３からデフロスト回路１５に切り換えられてデフロスト運転が行われるとき、膨張タンク３９に予め貯留されていた二酸化炭素・ホットガスが負荷側冷却器１１側へ大量に流れて負荷側冷却器１１内で液化し、その熱が氷解に使用されて除霜に寄与するので、急速にデフロストを行うことができる。
【００５２】
このデフロストの効果についてさらに説明すると、デフロスト回路１５を構成している負荷側冷却器１１とホットガス熱交換器１６と連絡配管内のデフロスト時における二酸化炭素・ホットガスの容量は、二酸化炭素の物性により、温度が高いときにはガス化されてガス量が増え、液量が減る。また、反対に温度が低いときにはガス量が減り、液量が増える。
【００５３】
その大きさは、負荷側冷却器１１とホットガス熱交換器１６と連絡配管内の容量を仮に１ｍ3とし、その系の炭酸ガス充填量を１６０kgとすると、ガス量と液量は下記の表１の如くとなる。
【００５４】
【表１】
【００５５】
このため、膨張タンク３９が無い場合、システムの冷却運転途中に、負荷側冷却器１１への接続が二酸化炭素冷媒回路１３からデフロスト回路１５に切り換えられてデフロスト運転に変更されると、負荷側冷却器１１内に送られる二酸化炭素・ホットガス量はデフロスト運転に切り換えられた初期には少なく、初期段階ではデフロスト効果的が十分に得ることができないという問題が発生する。
【００５６】
しかし、本実施例のように、デフロスト回路１５内に二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段としての膨張タンク３９が設けられている場合では、負荷側冷却器１１の接続をデフロスト回路１５側に切り換えられると、膨張タンク３９に予め貯留されていた二酸化炭素・ホットガスが負荷側冷却器１１側へ大量に流れて該負荷側冷却器１１内で液化し、その熱が氷解に使用されて除霜に寄与し、急速にデフロストを行うことができることになる。
【００５７】
また、本実施例では、バッファ手段として膨張タンク３９を設けた構造を開示したが、デフロスト回路１５内に二酸化炭素・ホットガスを貯留しておける構造であれば、必ずしも膨張タンク３９でなくてもよい。
【００５８】
さらに、ホットガス・バイパス手段４１を設けたことによってデフロスト回路系統内における二酸化炭素・ホットガスの量が所定量を越えると、その超えたホットガスを負荷側冷却器１１とカスケードコンデンサー１２の間に逃がすので、デフロスト回路系統内の圧力は常に制限圧力内に保持されることになり、二酸化炭素・ホットガスが大気に放出されることなく、安全性が向上することになる。
【００５９】
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上説明したように、本発明は冷蔵倉庫、冷凍倉庫以外に、冷凍ショーケース等の冷凍システムにも応用できる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 冷凍倉庫
１０ 制御部
１１ 負荷側冷却器
１２ カスケードコンデンサー
１３ 二酸化炭素冷媒回路
１４ アンモニア冷媒回路
１５ デフロスト回路
１６ ホットガス熱交換器
１７ 二酸化炭素・レシーバー
１８ 二酸化炭素・ポンプ
１９ 二酸化炭素・昇圧ポンプ
２０ アンモニア・レシーバー
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ アンモニア冷媒・冷凍ユニット
２４ アンモニア・水冷コンデンサー
２５ アンモニア・電磁弁
２６ 二酸化炭素・電動弁
２７ 二酸化炭素・圧力指示調節器
２８ 二酸化炭素・圧力発信器
２９ 二酸化炭素・電動弁
３０ 二酸化炭素・電動弁
３１ 二酸化炭素・電動弁
３２ 二酸化炭素・電動弁
３３ 庫内温度・指示調節器
３４ 二酸化炭素・圧力指示調節器
３５ 二酸化炭素・圧力発信器
３６ 二酸化炭素・止弁
３７ 二酸化炭素・止弁
３８ 二酸化炭素・電動弁
３９ 膨張タンク（バッファ手段）
４０ 切り換え手段
４１ ホットガス・バイパス手段
４２ 圧力逃がし配管
４３ 調整弁
４３ａ 二酸化炭素・止弁
４３ｂ 絞り弁
４４ ホットガス圧力指示調節器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷側冷却器と、カスケードコンデンサーと、二酸化炭素冷媒が前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーを通って循環される二酸化炭素冷媒回路と、アンモニア冷媒が前記カスケードコンデンサーを通って循環するアンモニア冷媒回路と、前記アンモニア冷媒に生じる発熱により前記二酸化炭素冷媒をホットガス化するホットガス熱交換器と、前記二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器内に供給して除霜するデフロスト回路と、前記負荷側冷却器に対する接続を前記二酸化炭素冷媒回路と前記デフロスト回路の間で切り換える切り換え手段と、を備える二酸化炭素循環・冷却システムにおいて、
前記デフロスト回路内に、前記二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段と、該バッファ手段内の前記二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーの間に逃がすホットガス・バイパス手段を設けたことを特徴とする二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置。
【請求項２】
上記ホットガス・バイパス手段は、一端部側を前記デフロスト回路に接続し、かつ他端部側を前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーの間に接続してなる圧力逃がし配管と、該圧力逃がし配管を通る前記二酸化炭素・ホットガスの量を調整する調整弁、を備えてなることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置。
【請求項１】
負荷側冷却器と、カスケードコンデンサーと、二酸化炭素冷媒が前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーを通って循環される二酸化炭素冷媒回路と、アンモニア冷媒が前記カスケードコンデンサーを通って循環するアンモニア冷媒回路と、前記アンモニア冷媒に生じる発熱により前記二酸化炭素冷媒をホットガス化するホットガス熱交換器と、前記二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器内に供給して除霜するデフロスト回路と、前記負荷側冷却器に対する接続を前記二酸化炭素冷媒回路と前記デフロスト回路の間で切り換える切り換え手段と、を備える二酸化炭素循環・冷却システムにおいて、
前記デフロスト回路内に、前記二酸化炭素・ホットガスを貯留しておくバッファ手段と、該バッファ手段内の前記二酸化炭素・ホットガスの貯留が所定量超えた際に、その超えた二酸化炭素・ホットガスを前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーの間に逃がすホットガス・バイパス手段を設けたことを特徴とする二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置。
【請求項２】
上記ホットガス・バイパス手段は、一端部側を前記デフロスト回路に接続し、かつ他端部側を前記負荷側冷却器と前記カスケードコンデンサーの間に接続してなる圧力逃がし配管と、該圧力逃がし配管を通る前記二酸化炭素・ホットガスの量を調整する調整弁、を備えてなることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素循環・冷却システムにおけるデフロスト装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２１５３７０（Ｐ２０１２−２１５３７０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８２２１５（Ｐ２０１１−８２２１５）
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（３９００２６９７４）株式会社東洋製作所 (132)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（３９００２６９７４）株式会社東洋製作所 (132)
【Ｆターム（参考）】
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